基于流體自激的磨料水射流加工仿真與實(shí)驗(yàn)

鄧乾發(fā) 汪楊笑 袁巨龍 呂冰海 趙天晨 王 旭

1.浙江工業(yè)大學(xué)超精密加工研究中心，杭州，3100232.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，3100233.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，衢州，324000

0 引言

先進(jìn)陶瓷材料由于高硬度、強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體與航空航天產(chǎn)業(yè)，使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行高精度加工存在很大的困難。磨料水射流加工(abrasive water jet machining，AWJM)作為一種新型的非傳統(tǒng)加工技術(shù)，其非接觸特性導(dǎo)致裂紋更少，可以降低工具磨損以提高工藝的穩(wěn)定性，在加工過(guò)程中工件表面無(wú)熱變形[1-2]。隨著近代運(yùn)動(dòng)控制更加精確與射流噴嘴的尺寸更加微小，磨料水射流逐漸在精密加工中被廣泛關(guān)注[3-5]。

然而，在磨料水射流精密加工中為了使工件表面不產(chǎn)生損傷，會(huì)采用較細(xì)的磨料與較低的水壓，導(dǎo)致加工效率較低。為了提高加工效率，學(xué)者們?cè)趦蓚€(gè)方面提出創(chuàng)新。第一，增加射流束的數(shù)量，如WANG等[6]提出的多射流聯(lián)合加工；第二，將普通的磨料射流結(jié)合輔助場(chǎng)，如通過(guò)在工件施加與射流方向垂直的超聲振動(dòng)，破壞停滯層的穩(wěn)定性，使得加工效率提高[7-8]。但這兩種方法本質(zhì)上都需要外界提供額外能量來(lái)提高射流束加工時(shí)的總動(dòng)能。

在自然界中流體自激振蕩是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)與邊界條件會(huì)使得這種現(xiàn)象增強(qiáng)。流體自激脈沖利用這一原理，可以將連續(xù)的射流轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖射流[9-10]。FANG等[11]使用相干結(jié)構(gòu)來(lái)揭示旋渦-壁之間相互作用的影響，發(fā)現(xiàn)自激振蕩軸向約束對(duì)流體自激有重要影響，而徑向約束的影響較小，不同的腔室長(zhǎng)度有其對(duì)應(yīng)的射流峰值壓力[12]。TANG等[13-14]基于流體網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建了自激振蕩腔的網(wǎng)絡(luò)模型，當(dāng)脈動(dòng)主頻與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，諧振的峰值最大，且射流自振的頻率對(duì)入口速度敏感[15]。LI等[16]發(fā)現(xiàn)腔室入口面積不連續(xù)性在一定的入口壓力與支撐距離范圍內(nèi)具有增強(qiáng)峰的能力[17]。

近年來(lái)，一些學(xué)者嘗試將流體自激脈沖特性應(yīng)用于精密加工領(lǐng)域。王星等[18]提出了納米膠體自激脈沖空化射流拋光方法并對(duì)單晶體硅進(jìn)行加工，在保證粗糙度不變的情況下，加工效率提高了20%。鄧乾發(fā)等[19]提出了基于自激振蕩脈沖特性的磨粒流拋光方法對(duì)不銹鋼毛細(xì)管進(jìn)行加工，結(jié)果表明加工效率比無(wú)腔室條件下可提高18%。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)流體自激的產(chǎn)生機(jī)理、腔室的結(jié)構(gòu)參數(shù)、自激效果的影響因素做了多方面的研究，為自激振蕩的應(yīng)用提供了一定基礎(chǔ)。流體自激脈沖特性可以增強(qiáng)射流的瞬時(shí)速度，因此利用流體自激對(duì)提高后磨料射流的加工效率是可行的。本文針對(duì)后混合式磨料水射流加工效率低的缺點(diǎn)，提出了一種自激振蕩磨料水射流加工(self-excited oscillation abrasive water jet machining, SEO-AWJM)方法。

1 自激振蕩磨料水射流加工原理

圖1為自激振蕩磨料水射流加工的工作原理示意圖。主要結(jié)構(gòu)包括后混合式磨料裝置與流體自激振蕩裝置兩個(gè)部分。流體經(jīng)過(guò)柱塞泵達(dá)到一定的壓力后通過(guò)藍(lán)寶石噴嘴將壓力轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并在混合室與磨料漿液混合為拋光液?；旌鲜矣袃蓚€(gè)進(jìn)料口，一個(gè)與大氣相連，另一個(gè)與磨料漿液相連，以此得到磨料均勻分布的水射流[20]。拋光液由上噴嘴進(jìn)入自激振蕩腔室，其中自激振蕩腔室由上噴嘴底面、保持體的內(nèi)壁、下噴嘴的內(nèi)壁表面組成。

圖1 自激振蕩磨料水射流加工原理

有效的流體自激振蕩需要三個(gè)基本環(huán)節(jié)的共同作用：不穩(wěn)定剪切層的選擇放大、擾動(dòng)波有效反饋和腔室的共振[21]。具體來(lái)說(shuō)，拋光液從上噴嘴進(jìn)入自激振蕩腔，由于面積突變會(huì)產(chǎn)生初始擾動(dòng)，并由于射流剪切層的不穩(wěn)定性，初始擾動(dòng)波被剪切層選擇放大，就剪切層中的射流結(jié)構(gòu)頻率fv而言，存在以下關(guān)系：

(1)

式中，Sr為斯特勞哈爾數(shù)；u為射流速度；d1為入口直徑。

之后，包含著被放大的渦環(huán)尺度的射流剪切層撞擊在下游的碰撞壁上，產(chǎn)生了壓力擾動(dòng)波向上游傳播，并在上游入口處引起了新的擾動(dòng)。剪切層中干擾波的傳輸速度可以用下式[14]表示：

u′(x)=φ′ea1xei(aRx-ωt)0≤x≤Lc

(2)

式中，φ為與腔體徑向相關(guān)的函數(shù)；a1為空間增加因素；aR為波的數(shù)量，aR=2π/λ；λ為擾動(dòng)波波長(zhǎng)；ω為擾動(dòng)波頻率；x為軸向距離；Lc為腔室長(zhǎng)度。

腔室入口處(x=0)產(chǎn)生的擾動(dòng)波的擾動(dòng)速度和撞擊邊緣(x=Lc)產(chǎn)生的擾動(dòng)波的擾動(dòng)速度的相位相同時(shí)，可以得到撞擊邊緣速度最大的擾動(dòng)波，擾動(dòng)波向上游傳播產(chǎn)生更多的擾動(dòng)，且產(chǎn)生的擾動(dòng)相位與初始擾動(dòng)相位一致，形成有效的反饋條件：

(3)

當(dāng)初始擾動(dòng)被剪切層選擇放大，并滿足有效反饋條件，且同自激振蕩腔室的固有頻率接近的時(shí)候，可以激發(fā)室內(nèi)最強(qiáng)的周期性擾動(dòng)。文獻(xiàn)[12]通過(guò)流體網(wǎng)絡(luò)給出了噴嘴的固有頻率fn：

(4)

式中，ωn為固有角頻率；r1、r2分別為上游噴嘴和下游噴嘴的流阻；L為腔體流感；C為腔體流容。

混合后的拋光液經(jīng)過(guò)流體自激振蕩裝置后，將原來(lái)連續(xù)的射流轉(zhuǎn)換為脈沖射流。磨料在自激振蕩腔的加速下可以獲得更高的速度，同時(shí)流體自激脈沖破壞了停滯區(qū)[22]的穩(wěn)定性，從而提高了加工效率。

2 自激振蕩磨料射流模型的建立

2.1 控制方程

本次工作利用ANSYS Fluent19.0分析了自激振蕩腔室的內(nèi)流場(chǎng)與射流沖擊工件的外流場(chǎng)。其中外流場(chǎng)的計(jì)算模型選擇了多相流來(lái)模擬射流的水相與空氣相。設(shè)置空氣為第一相，水為第二相。當(dāng)雷諾數(shù)高于3000時(shí)選擇湍流模型。流體自激振蕩的產(chǎn)生主要為渦-波的相互作用，自激振蕩腔室內(nèi)還涉及到復(fù)雜的渦旋，所以采用湍流模型中的大渦模擬(large eddy simulation，LES)模型。大渦模擬計(jì)算主要考慮湍流中的大尺度渦環(huán)，忽略流邊界的小尺度渦環(huán)，表示為

(5)

本次運(yùn)用的流體為水，而水是不可壓縮流體，濾波后的三維不可壓縮Navier-Stokes連續(xù)方程為

(6)

動(dòng)量方程為

(7)

(8)

式中，ρ、p分別為密度、壓力；ν為動(dòng)力黏度；“～”表示在網(wǎng)格級(jí)別過(guò)濾的變量；張量ui為瞬時(shí)速度；xi表示三維坐標(biāo)方向；i為張量的空間維度；j為張量的時(shí)間維度；τij為修正的子網(wǎng)格尺度張量。

2.2 物理模型

高速水射流與磨料漿液混合后由上噴嘴進(jìn)入自激振蕩腔室，經(jīng)過(guò)腔室的調(diào)制后以一定角度沖擊工件表面。其中混合方式采用新型后混合式[21]，可以在上噴嘴處得到磨料均勻分布的拋光液射流束，所以本次仿真主要對(duì)自激振蕩腔室以及外界加工流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)際加工情況構(gòu)建SEO-AWJM的物理模型，如圖2所示，其中粗實(shí)線圍成的是整體的流場(chǎng)域，上下兩個(gè)虛線框分別是自激振蕩腔室與外界流場(chǎng)域。腔室結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)如表1所示。

圖2 SEO-AWJM的物理模型

表1 腔體結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

根據(jù)SEO-AWJM的物理模型，利用ICEM建立流體計(jì)算域。圖3a為自激振蕩腔室的三維模型示意圖，為了兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率[10]，將計(jì)算模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱的二維模型，考慮到LES模型對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量要求較高，使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)剪切層與碰撞壁附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密。

2.3 邊界條件設(shè)置

仿真模型的邊界條件如圖3b所示，邊界A-A為混合拋光液的入口，入口邊界為速度入口,采用均勻的流量分布,其中水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1，流入流量的湍流強(qiáng)度為5%。拋光液由高速水射流與磨料漿液在混合腔室混合而成，入口速度vn可以表示為

(a)三維模型示意圖

(9)

邊界B-B為壓力入口，數(shù)值是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，且該邊界上的水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0，這意味著只有空氣被帶入該區(qū)域。邊界C-C為壓力出口，其數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，磨料射流在沖擊工件后從該出口流出。邊界D-D設(shè)置為壁面狀態(tài)，磨料射流經(jīng)過(guò)自激振蕩腔后沖擊該邊界，是加工的主要區(qū)域。其他邊界(包括碰撞壁、側(cè)壁和管壁)都設(shè)置為壁面，具有防滑條件，用增強(qiáng)壁函數(shù)方法在域中進(jìn)行計(jì)算以進(jìn)一步解決近壁流動(dòng)。在仿真過(guò)程中，時(shí)間步長(zhǎng)Δt設(shè)置為1×10-7s并保持恒定。計(jì)算完成后，使用后處理器tecplot360獲得結(jié)果。

3 自激振蕩磨料水射流仿真分析

3.1 影響流體自激振蕩的因素

整個(gè)計(jì)算模型包含自激振蕩腔室與外界空氣場(chǎng)?？諝鈭?chǎng)是為了防止計(jì)算時(shí)邊界C-C回流對(duì)射流束的影響，其直徑是自激振蕩腔室直徑的數(shù)倍，而在研究流體自激效果的影響因素時(shí)，這會(huì)使得計(jì)算量過(guò)于龐大，因此本文先計(jì)算腔室內(nèi)的流場(chǎng)得到最佳參數(shù)，再計(jì)算包含空氣場(chǎng)的整體的計(jì)算域模型。若水壓為10 MPa，拋光液流速為15 mL/min時(shí)，通過(guò)式(9)可以得到速度入口為130 m/s。仿真的主要條件如表2所示。

表2 仿真的主要設(shè)置

根據(jù)流體自激原理的三個(gè)基本環(huán)節(jié)可知，自激振蕩腔室的腔長(zhǎng)與入口流速對(duì)流體自激振蕩有較大的影響。具體而言，由式(1)可知入口流速與剪切層的結(jié)構(gòu)頻率相關(guān)，由式(3)、式(4)可知腔長(zhǎng)與壓力波的反饋與腔室的頻率相關(guān)。本文針對(duì)流體自激振蕩腔室的腔長(zhǎng)和入口流速對(duì)流體自激進(jìn)行研究，自激的效果通過(guò)脈沖率來(lái)表示，脈沖率f表示為

(10)

式中，vp為下游出口流道流速瞬時(shí)脈沖峰值速度。

3.1.1腔長(zhǎng)的影響

圖4、圖5是腔長(zhǎng)Lc分別為2.5 mm、4.0 mm、5.5 mm時(shí)自激振蕩腔室內(nèi)的速度云圖和軸向速度分布曲線。由圖4可知，射流束進(jìn)入自激振蕩腔室后，在距離上噴嘴一段距離后進(jìn)入分離區(qū)，在軸向形成一系列不連續(xù)的渦流擾動(dòng)，并持續(xù)向下游發(fā)展，在下游噴嘴處形成脈沖射流。速度脈沖沿下游噴嘴繼續(xù)流動(dòng)直到離開(kāi)噴嘴進(jìn)入外界場(chǎng)。由圖5可知，腔長(zhǎng)對(duì)軸向速度有顯著影響，腔長(zhǎng)太短，流體沒(méi)有或者剛進(jìn)入分離區(qū)無(wú)法形成有效的自激；腔長(zhǎng)太長(zhǎng)，速度脈沖完成加速后繼續(xù)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生消耗，這會(huì)使得自激的效果變差。

(a)Lc=2.5 mm

圖5 中心軸線x速度分布曲線

圖6是速度脈沖離開(kāi)腔室后進(jìn)入下游噴嘴的速度峰值的衰減圖。由圖可知，速度脈沖在離開(kāi)腔室進(jìn)入下游噴嘴后，脈沖的速度峰值先增大，在一定位置可以達(dá)到最大速度峰值，之后緩慢衰減。

圖6 速度脈沖沿下游噴嘴衰減曲線

本次研究的下游噴嘴長(zhǎng)度L2為4 mm，因此在L2=4 mm處計(jì)算脈沖率。本文對(duì)Lc分別為2.5 mm、4.0 mm、5.5 mm的三種腔長(zhǎng)進(jìn)行仿真，通過(guò)式(10)得到對(duì)應(yīng)的脈沖率分別為12.36%、27.33%、10.17%。由此可知，在入口速度為130 m/s的情況下，自激振蕩腔室的最佳腔長(zhǎng)在2.5～5.5 mm之間。

3.1.2入口速度的影響

當(dāng)腔長(zhǎng)Lc一定時(shí)，隨著入口速度的增大，下游出口速度峰值也隨之增大，但脈沖率先增大后減小。圖7所示為下游噴嘴出口處不同入口速度下的脈沖率，在速度為110～135 m/s時(shí)，隨著入口速度的增大，下游出口處的脈沖率逐漸增大，在速度135 m/s時(shí)脈沖率最大達(dá)到28.47%，當(dāng)入口速度繼續(xù)增大時(shí)，脈沖率逐漸減小?？梢缘贸?，每個(gè)腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳速度，也可以說(shuō)入口速度要與腔長(zhǎng)相匹配才能實(shí)現(xiàn)流體最有效的自激。

圖7 下游噴嘴出口處的峰值速度與脈沖率

3.2 自激振蕩腔體內(nèi)的周期流場(chǎng)變化

圖8、圖9分別為一個(gè)周期內(nèi)自激振蕩腔內(nèi)的速度和壓力變化云圖，將剛調(diào)制完前一個(gè)脈沖的時(shí)刻作為t0。如圖9a所示，上一個(gè)速度脈沖從自激振蕩腔室進(jìn)入下游噴嘴并在下游處的120°錐形面處發(fā)生碰撞，此時(shí)腔室內(nèi)為正壓，產(chǎn)生壓力擾動(dòng)波向上游傳播并誘導(dǎo)上游分離區(qū)產(chǎn)生新的擾動(dòng)，圖8a所示拋光液進(jìn)入分離區(qū)后形成一系列不連續(xù)渦流擾動(dòng)，受到環(huán)境流體的黏度和強(qiáng)剪切流的影響，向下游持續(xù)發(fā)展長(zhǎng)大。圖8b顯示沿著軸線的不連續(xù)速度脈沖擾動(dòng)向下游發(fā)展并不斷融合長(zhǎng)大。圖8c顯示，已成形的速度脈沖達(dá)到了下游噴嘴處，并且被包含著放大尺度渦環(huán)的射流剪切層撞擊碰撞壁。如圖9b、圖9c所示,在速度擾動(dòng)向下游不斷生成融合時(shí)，腔室內(nèi)的壓力由正壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓，直到圖9d所示的新形成的速度脈沖撞擊碰撞壁后，腔室內(nèi)轉(zhuǎn)化為正壓，開(kāi)始下一個(gè)周期的脈沖調(diào)制。自激振蕩腔室內(nèi)的壓強(qiáng)正負(fù)交替變化，但是時(shí)間遠(yuǎn)小于空化氣泡的生長(zhǎng)周期(0.1 s)，因此不考慮水在劇烈壓力變化下的空化作用的影響。

(a)t0 (b)t0+10 μs

(a)t0 (b)t0+10 μs

圖10為下游噴嘴出口處的速度脈沖圖，可以發(fā)現(xiàn)在出口處產(chǎn)生了較大的速度波動(dòng)，下游出口處的平均流速為104～173 m/s，磨料在振蕩流體曳力的帶動(dòng)下有更好的加速性能[23]。這說(shuō)明流體自激脈沖有利于改善噴射性能，從而提高工作效率?；旌虾蟮膾伖庖簼舛鹊陀?0%，因此可以忽略顆粒與顆粒之間的作用力，選擇離散相模型，設(shè)置磨料為直徑3μm的碳化硅，顆粒流動(dòng)速率為1.25×10-5kg/s。

圖10 下游噴嘴出口處的速度脈沖

由圖11可知，流場(chǎng)特性對(duì)顆粒的分布與速度有巨大影響，磨料隨著流體在腔室內(nèi)振蕩加速，并在下游噴嘴處呈脈沖間斷分布。一個(gè)速度脈沖可以分為高速核與低速區(qū)，其中，磨料顆粒分布在低速區(qū)較多并呈月牙形，但是速度偏低；磨料顆粒在高速核中分布較少，主要分布在軸線中心，但是速度較高，可以達(dá)到173 m/s。

(a)顆粒分布

3.3 流體自激振蕩對(duì)停滯層的影響

本次仿真設(shè)定磨料水射流加工工作在初始段，設(shè)置與工件的距離為10 mm。在磨料水射流加工過(guò)程中，在沖擊區(qū)域中的射流束與工件表面之間存在相對(duì)穩(wěn)定的保持層，稱為停滯層，它直接抵抗射流沖擊并消耗一部分射流的能量，同時(shí)磨料顆粒直徑越小受到停滯層的影響越大。如圖12所示,噴嘴直徑為0.76 mm，入射速度為135 m/s的情況下，在工件的表面形成穩(wěn)定的停滯層，且在停滯層的中心存在最大停滯壓力，即中心停滯壓力ps，其值為9.4 MPa。

圖12 磨料水射流加工停滯層壓力云圖

磨料水射流精密加工所采用的顆粒與壓力都偏小，因此導(dǎo)致加工效率較低，而停滯層的存在進(jìn)一步減弱了磨料水射流的加工能力。SEO-AWJM的自激脈沖特性使停滯層壓力發(fā)生周期性的變化，工件表面的停滯層壓力云圖見(jiàn)圖13。在相同條件下，加入自激振蕩腔室，在t0時(shí)刻，中心停滯壓力ps為6.98 MPa，在t0+10 μs時(shí)刻ps達(dá)到10.73 MPa，在t0+20 μs時(shí)刻達(dá)到最大值12.56 MPa，以此周期性變化。圖14則是對(duì)應(yīng)停滯層的局部速度矢量圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，射流束受到停滯層的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在工件表面產(chǎn)生壁面剪切力，在一段距離后達(dá)到峰值，其值為峰值壁面剪切力pfm。圖15為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的壁面剪切力變化曲線，在t0時(shí)刻，峰值壁面剪切力pfm為67 758.07 Pa，在t0+10 μs時(shí)刻pfm達(dá)到85 824.08 Pa，在t0+20 μs時(shí)刻達(dá)到最大值94 350.77 Pa，結(jié)果表明，停滯層會(huì)影響壁面剪切力分布，當(dāng)停滯層壓力增大時(shí)，壁面剪切力也隨之增大。除此之外，還可以發(fā)現(xiàn)峰值壁面剪切力pfm隨時(shí)間在工件表面往復(fù)移動(dòng)，這也有利于硬脆材料的延性去除。

(a)t0 (b)t0+10 μs (c)t0+20 μs

(a)t0

圖15 SEO-AWJM的壁面剪切力變化曲線

4 自激振蕩磨料水射流試驗(yàn)

4.1 自激振蕩磨料水射流加工試驗(yàn)平臺(tái)

自激振蕩磨料水射流加工試驗(yàn)平臺(tái)如圖16所示，主要包括：用于儲(chǔ)存的純水桶、提供壓力的三缸柱塞泵、穩(wěn)定壓強(qiáng)的儲(chǔ)能器、后混合式磨料裝置、流體自激振蕩裝置、運(yùn)動(dòng)裝置和控制柜等。流體經(jīng)柱塞泵達(dá)到預(yù)定的壓強(qiáng)并經(jīng)過(guò)蓄能器消除脈動(dòng)后，進(jìn)入后混合式磨料裝置。自激振蕩磨料射流裝置是整個(gè)設(shè)備最關(guān)鍵的部分，主要由后混合式磨料裝置與流體自激振蕩裝置兩部分組成。流體在后混合式磨料裝置內(nèi)與磨料漿液均勻混合為拋光液，之后拋光液進(jìn)入流體自激振蕩裝置，并利用自激振蕩腔室特有的結(jié)構(gòu)與邊界條件將流體連續(xù)射流轉(zhuǎn)化為脈沖射流，同時(shí)系統(tǒng)中自激振蕩腔室的腔長(zhǎng)可以調(diào)節(jié)，獲得不同的脈沖射流壓力峰值。

圖16 自激振蕩磨料水射流加工平臺(tái)

4.2 自激振蕩磨料射流沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將靶盤(pán)置于工作臺(tái)上，連接壓力傳感器，調(diào)節(jié)XY軸使得傳感器位于中心位置，并調(diào)節(jié)Z軸使得距靶盤(pán)的距離Sr為10 mm，每個(gè)壓力采集過(guò)程為5 s，在數(shù)據(jù)采集期間電腦讀取最大沖擊壓力Fmax與最小沖擊壓力Fmin，隨機(jī)取100個(gè)Fmax與Fmin求平均值作為沖擊壓力峰值Fp，將Fmax與Fmin的平均差值作為振蕩幅度Ap，調(diào)節(jié)腔室長(zhǎng)度Lc進(jìn)行各個(gè)腔室長(zhǎng)度下的沖擊壓力實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)條件水壓為10 MPa，磨料漿液流量為15 mL/min。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)腔長(zhǎng)小于2 mm時(shí)拋光液在自激振蕩腔室發(fā)生回流，會(huì)從與空氣相連的進(jìn)料口流出，所以實(shí)驗(yàn)選擇腔長(zhǎng)為2～7 mm，沖擊壓力峰值Fp與幅度Ap隨腔長(zhǎng)變化情況見(jiàn)圖17。由圖17可知，在腔長(zhǎng)為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm時(shí)，F(xiàn)p顯著增大，當(dāng)腔長(zhǎng)為4 mm時(shí)，F(xiàn)p達(dá)到最大0.9399 N，Ap也達(dá)到最大值0.2439 N，振蕩幅度Ap與沖擊壓力峰值Fp具有一致性。在腔長(zhǎng)為2.5 mm、3.5 mm、4.5 mm、5.5 mm、6.5 mm時(shí)，自激效果明顯下降，F(xiàn)p與Ap值分別約為0.8199 N與0.0362 N，主要原因根據(jù)式(3)可知，初始擾動(dòng)波與碰撞壁處的擾動(dòng)波相位差相位不相同時(shí)，無(wú)法形成正反饋得到最佳的自激效果，沖擊壓力幅值相比磨料水射流的壓力0.7735 N有著一定的增大，但是增大幅度有限。根據(jù)上述結(jié)果，調(diào)節(jié)自激振蕩腔長(zhǎng)Lc為4 mm即可獲得最佳的流體自激振蕩效果。

圖17 自激振蕩磨料水射流沖擊壓力峰值與幅度

4.3 自激振蕩磨料水射流加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用氮化硅基片(10 mm×10 mm×0.5 mm)作為加工對(duì)象，選用碳化硅作為磨粒，其材料的機(jī)械性能如表3所示。對(duì)比AWJM與SEO-AWJM兩種加工方法，利用自激振蕩磨料水射流加工平臺(tái)進(jìn)行定點(diǎn)加工，磨料為5000目碳化硅，拋光液漿液濃度為5%，噴嘴垂直90°沖擊工件表面10 min。加工照片和使用VHX-1000超景深三維顯微鏡得到的表面輪廓曲線如圖18所示。從圖中可知，加工后的表面輪廓呈“W”形，仿真結(jié)果的壁面剪切力呈“M”形，在峰值壁面剪切力pfm處材料去除量最大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與流體仿真分析一致。

(a)工件加工區(qū)域

表3 氮化硅和碳化硅的機(jī)械性能

使用AWJM加工，加工區(qū)域材料去除的最大深度hmax為7.5 μm，對(duì)應(yīng)的材料去除率為6.748×10-11kg/s；使用SEO-AWJM加工，加工區(qū)域材料去除的最大深度hmax為9.4 μm，對(duì)應(yīng)的材料去除率為8.973×10-11kg/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用流體自激脈沖特性可以使磨料射流加工獲得更高的材料去除率。

對(duì)于XY方向的平面加工，噴嘴以一定的橫移速度vx在工件表面移動(dòng)，之后垂直進(jìn)給方向移動(dòng)一段距離Wy,如此重復(fù)完成整個(gè)平面的加工。實(shí)驗(yàn)組為SEO-AWJM，對(duì)照組為AWJM，表4列出了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)條件。

表4 實(shí)驗(yàn)條件

工件需經(jīng)多次拋光以提高表面質(zhì)量。本次實(shí)驗(yàn)選用表面粗糙度Ra評(píng)估加工工件的表面質(zhì)量。利用超聲波清洗加工后的工件，并使用Form Talysurf i60精密粗糙度輪廓儀測(cè)量加工不同次數(shù)的工件表面粗糙度Ra，繪制表面粗糙度隨加工次數(shù)的變化曲線，如圖19所示，研磨后工件的初始表面粗糙度Ra為108.9 nm，隨著加工次數(shù)的增加，粗糙度不斷下降，其中AWJM在加工6次后Ra達(dá)到穩(wěn)定，SEO-AWJM在加工4次后Ra達(dá)到穩(wěn)定。

圖19 表面粗糙度變化曲線

圖20所示為AWJM與SEO-AWJM兩種不同方法加工后的工件，從圖中可以看出,相比于初始工件，兩種方法加工后的工件都呈更高光澤。圖21所示是SuperView W1光學(xué)3D表面輪廓儀拍攝的工件表面微觀形貌,可以看出加工后工件的劃痕、波峰基本被消除，而氮化硅基片自身的缺陷如氣孔凹坑依然存在。

圖20 氮化硅基片加工前后對(duì)比圖

(a)初始表面

AWJM加工后Ra約為47.9 nm，SEO-AWJM加工后Ra為51.3 nm。通常SEO-AWJM加工后工件表面粗糙度值略高于AWJM，這是因?yàn)橛泊嗖牧系闹饕コ绞綖檠有约羟腥コ淞魇谕拥淖饔孟赂淖兞肆鲃?dòng)方向，對(duì)工件表面產(chǎn)生了壁面剪切力，且在峰值壁面剪切力達(dá)到最大去除深度,相同條件下SEO-AWJM有更大的壁面剪切力，使磨料在垂直方向上被壓入工件的深度更大，從而導(dǎo)致更大的表面粗糙度。此外，工件表面峰值壁面剪切力隨時(shí)間往復(fù)移動(dòng)，這也有利于硬脆材料的延性去除，因此，SEO-AWJM加工后的表面粗糙度高于AWJM，但是差別不大。

5 結(jié)論

(1)本文提出了自激振蕩磨料水射流加工方法，設(shè)計(jì)了自激振蕩磨料射流裝置，并建立了相關(guān)的測(cè)試與加工系統(tǒng)。通過(guò)仿真分析得出，當(dāng)入口流速為135 m/s，腔長(zhǎng)為4 mm時(shí)，下游噴嘴脈沖率最大達(dá)到28.47%。流體在自激振蕩腔室內(nèi)的速度與壓力呈周期性變化，當(dāng)經(jīng)過(guò)脈沖調(diào)制的射流束沖擊工件時(shí)，加工表面的停滯層壓力周期性變化，使得壁面剪切力分布發(fā)生改變，從而獲得更高的峰值壁面剪切力且該力在工件表面往復(fù)移動(dòng)，有利于工件的延性去除。

(2)通過(guò)流體自激振蕩射流沖擊力實(shí)驗(yàn)，在入口流速一定情況下，調(diào)整腔室長(zhǎng)度，得到最佳流體自激效果。當(dāng)腔長(zhǎng)為4 mm時(shí)，沖擊壓力峰值達(dá)到最大值0.9399 N，振蕩幅度也達(dá)到最大值0.2439 N。噴嘴垂直90°沖擊工件表面10 min，使用AWJM加工，加工區(qū)域最大去除深度為7.5 μm，材料去除率為6.748×10-11kg/s；使用SEO-AWJM加工，加工區(qū)域最大深度為9.4 μm，材料去除率為8.973×10-11kg/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用流體自激脈沖特性可以使磨料射流獲得更高的去除率。氮化硅基片加工實(shí)驗(yàn)表明，相比于AWJM，使用SEO-AWJM可以更快使表面粗糙度達(dá)到穩(wěn)定，但是SEO-AWJM加工的表面粗糙度值通常略高于AWJM，根據(jù)表面質(zhì)量的需要可以使用更細(xì)的磨料。